9 Minute
Progres major în laborator: diamant de meteorit (lonsdaleit) sintetizat la scară
Oamenii de știință au produs pentru prima dată o cantitate perceptibilă de diamant de meteorit — lonsdaleit, numit și diamant hexagonal — într-un experiment controlat de laborator. Materialul, prezis teoretic a fi substanțial mai dur decât diamantul cubic obișnuit, a fost creat sub formă de mici discuri ultra-dure prin sinteză la înaltă presiune și temperatură. Lucrarea, raportată în Nature pe 30 iulie 2025, reprezintă un pas esențial pentru validarea decadelor de predicții teoretice privind rețelele hexagonale de carbon și pentru explorarea aplicațiilor lor industriale.
Context științific: ce diferențiază lonsdaleitul de diamantul obișnuit
Diamantul este cel mai cunoscut material ultra-dur natural deoarece fiecare atom de carbon formează patru legături sp3 echivalente, generând o rețea de tetraedre. În rețeaua convențională cubică (cubic centrat pe fețe) a diamantului, aceste tetraedre se suprapun în trei straturi repetate distincte, etichetate A, B și C. Această succesiune în trei straturi ABC conferă diamantului cubic proprietățile sale mecanice și electronice caracteristice.
În schimb, lonsdaleitul adoptă o simetrie cristalină hexagonală rezultată din doar două straturi repetate, etichetate A și B, stivuite în secvența AB. Diferența este subtilă: unele lungimi ale legăturilor carbon–carbon devin ușor mai scurte, iar altele ușor mai lungi decât în diamantul cubic. Cristalografii au prezis că această aranjare hexagonală ar trebui să crească rigiditatea și duritatea; modelele teoretice au sugerat o creștere a durității în jurul a 50–60% în raport cu diamantul cubic. Primele granule mici, impurificate, identificate tentativ ca lonsdaleit au fost raportate în fragmente ale meteoritului Canyon Diablo în anii 1960, dar contaminarea cu grafit, diamant cubic și carbon amorf a lăsat existența unui diamant hexagonal pur în dubiu vreme de decenii.
O diagramă care arată diferențele structurale între diamantul cubic (stânga) și diamantul de meteorit (dreapta). (Image credit: Ralf Riedel)
Detalii ale experimentului: cum au reprodus cercetătorii un mediu de impact în laborator
Inspirați de granulele asemănătoare lonsdaleitului găsite în meteoritul Canyon Diablo, Wenge Yang și colegii de la Center for High Pressure Science and Technology Advanced Research (HPSTAR) din Beijing au conceput un experiment pentru a imita presiunile și temperaturile extreme ale impacturilor meteoritice. Echipa a pornit de la grafit de înaltă puritate ca materie primă de carbon și a folosit o celulă cu nicovale de diamant (DAC) pentru a aplica presiuni statice de ordinul zecilor de gigapascali.
Parametrii și protocolul de sinteză
- Presiune: aproximativ 20 GPa (în jur de 200.000 de atmosfere), suficientă pentru a determina straturile adiacente de carbon să alunece și să refacă legături.
- Încălzire: un laser focalizat asigura încălzire locală peste 1400 °C pentru a activa rearanjamentele atomice fără a provoca topirea.
- Kinetică: comprimare lentă și controlată și decompresie atentă, graduală, pentru a fixa modelul de stivuire hexagonală și a evita retransformarea în grafit.
"La presiuni de aproximativ 20 GPa (200.000 de atmosfere), straturile plate de carbon din grafit sunt forțate să alunece și să se lege de straturile adiacente, formând o rețea încovoiată de tip fagure caracteristică diamantului hexagonal," a spus Yang într-o comunicare cu presa. "Încălzirea cu laser peste 1400 °C facilitează această tranziție." Încălzirea cu laser și eliberarea lentă a presiunii au fost critice: eliberarea rapidă sau controlul termic neadecvat riscă revertirea materialului la grafit sau generarea de carbon în faze mixte.
Cercetarea a fost inspirată de un fragment din meteoritul Canyon Diablo care conținea lonsdaleit, care probabil s-a format din cauza presiunilor și temperaturilor înalte experimentate în timpul impactului cu Pământul. (Image credit: By Geoffrey Notkin, Aerolite Meteorites of TucsonOriginal uploader was Geoking42 at en.wikipedia - Transferred from en.wikipedia(Original text : Self-made. Image created by Geoffrey Notkin, Aerolite Meteorites [1]), CC BY-SA 2.5, Link)
Caracterizare și rezultate principale
După sinteză, echipa a folosit microscopie electronică de înaltă rezoluție, cristalografie cu raze X și analize de difracție pentru a investiga structura atomică. Imaginile obținute prin microscopie electronică în transmisie (TEM) au relevat stivuirea în straturi AB compatibilă cu simetria hexagonală. Modelele cristalografice obținute prin raze X s-au potrivit cu rețeaua hexagonală a lonsdaleitului, confirmând că discurile conțineau domenii autentice de diamant hexagonal.
Deși discurile erau mici și nu erau lipsite de incluziuni de diamant cubic, observațiile furnizează dovezi structurale clare că diamantul hexagonal poate fi produs în laborator în condiții bine controlate. Testele de duritate necesită probe mai mari și fără defecte decât cele produse în această primă demonstrație, astfel că autorii nu au raportat o valoare definitivă a durității pentru probele lor. Ei au arătat însă că noul material este cel puțin la fel de dur ca diamantul obișnuit în evaluările limitate disponibile.
"Este o primă demonstrație bună," a declarat Soumen Mandal, fizician la Universitatea din Cardiff care studiază aplicațiile diamantului, într-un comentariu independent. "Acum avem nevoie de cristale pure și de mai mult material pentru a începe explorarea proprietăților sale fizice și mecanice, proprietăților termice, proprietăților electrice — toate acestea."
Implicații pentru industrie și cercetare
Dacă se pot produce în mod fiabil cristale de lonsdaleit mai mari și de înaltă puritate, materialul are potențialul de a depăși diamantul cubic în mai multe domenii tehnologice datorită durității estimate mai mari și posibilelor proprietăți termice și electronice distincte. Aplicațiile potențiale cheie includ:
- Abrasive industriale și burghie pentru minerit și operațiuni petroliere, unde creșterea durității se traduce direct prin durată de viață mai lungă a sculelor și performanță îmbunătățită.
- Scule pentru prelucrare de precizie și tăiere care necesită rezistență extremă la uzură.
- Componente electronice de putere mare, cu bandă interzisă largă, și sisteme de gestionare termică care valorifică conductivitatea termică excepțională a diamantului; diamantul hexagonal ar putea oferi avantaje complementare în structura benzii electronice.
- Tehnologii cuantice și senzori: diamantul găzduiește deja centre nitrogen-vacancy și alte sisteme cuantice bazate pe defecte; noi simetrii ale rețelei ar putea deschide oportunități suplimentare pentru defecte cuantice proiectate.
Echipa HPSTAR estimează că adoptarea practică în industrie ar putea fi totuși la un deceniu depărtare, având în vedere necesitatea de a scala dimensiunea probelor, de a reduce impuritățile și de a caracteriza în mod cuprinzător comportamentul mecanic, termic și electric.
Perspective ale experților
Dr. Elena Park, o cercetătoare în știința materialelor (ficțională), comentează: "Acesta este un reper experimental important. Provocarea acum este scara și puritatea. Producerea unei stivuiri AB izolate pe domenii de scară milimetrică fără contaminare cubică va necesita rafinamente în traiectoriile de presiune, profilele de încălzire și controlul materialului de start. Dacă aceste obstacole pot fi depășite, beneficiile inginerești ar putea fi semnificative pentru scule de tăiere și dispozitive termice."
Dr. Marcus Olufemi, un fizician aplicat ficțional, adaugă: "Ar trebui să studiem și chimia defectelor în diamantul hexagonal. Defectele determină nu doar rezistența mecanică, ci și proprietățile electronice și optice. O nouă simetrie a rețelei înseamnă comportamente noi ale defectelor — care pot fi ajustate pentru aplicații specifice în fotonică sau senzori cuantici."
Pașii următori pentru cercetare
Pentru a trece de la dovada de principiu în laborator la o platformă materială, cercetătorii și partenerii industriali vor trebui să abordeze mai multe priorități:
- Scalare a producției: dezvoltarea de metode pentru a sintetiza cristale continue de lonsdaleit mai mari, fie prin comprimare statică, tehnici de șoc sau noi căi chimice.
- Controlul purității: eliminarea diamantului cubic rezidual, a grafitului și a carbonului amorf pentru a permite teste mecanice fiabile și fabricarea dispozitivelor.
- Cartografiere completă a proprietăților: măsurarea durității (Vickers, Knoop, nanoindentare), a tenacității la fractură, a conductivității termice, a benzii interzise electronice și a comportamentului defectelor pe o gamă de calități și orientări ale probelor.
- Evaluare economică și de mediu: evaluarea dacă energia și costurile echipamentelor pentru producerea diamantului hexagonal la scară sunt justificate pentru aplicațiile vizate.
Concluzie
Sinteza în laborator a discurilor de lonsdaleit reprezintă o validare experimentală majoră a unui material pe care oamenii de știință au dorit de mult să îl izoleze și să îl studieze. Reproducând presiuni și temperaturi similare celor de la impact cu ajutorul unei celule cu nicovale de diamant și a încălzirii țintite cu laser, cercetătorii au creat domenii de carbon stivuite hexagonal și le-au verificat structura prin microscopie electronică și cristalografie cu raze X. Deși probele rămân mici și parțial impurificate, rezultatele redeschid drumul spre testarea unui material prezis teoretic a fi până la 50–60% mai dur decât diamantul cubic. Obținerea de cristale mai mari și mai pure este următoarea provocare clară; dacă se reușește, diamantul hexagonal ar putea remodela sectoarele de la producția industrială la electronică și tehnologii cuantice în deceniul următor.
Sursa: livescience
Comentarii